JP2013128908A - ガス分離回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着剤の性能を高めて、副生ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収する方法を提案する。
【解決手段】２以上の成分を有する混合ガスを吸着剤を装入した吸着塔に導いて該混合ガス中の分離対象ガス成分を吸着剤に吸着させ、その後該吸着塔の内部圧力を低くして吸着剤に吸着させた前記分離対象ガス成分を脱着して分離対象ガスを回収するに当たり、混合ガスの吸着塔への導入は、混合ガスを冷却して行い、分離対象ガス成分の脱着は、吸着剤を加熱しながら行うことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、２以上の成分を有する混合ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収する方法に関するものである。

製鉄所においては、コークス炉、高炉および転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生し、このガスには、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）およびメタン（ＣＨ_４）といった、燃料として利用可能な成分のほかに、窒素（Ｎ_２）や二酸化炭素（ＣＯ_２）が含有されている。これらの副生ガスは、その大部分が発電所や加熱炉などで燃焼によって発生する熱を利用する用途に使用されているが、前述のように、これらの副生ガス中にはＮ_２やＣＯ_２といった不活性成分が含まれるために、体積当たりの熱量は７００〜４５００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３であり、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて低いのが特徴である。特に、高炉ガスには、Ｎ_２が５０〜５５体積％程度、ＣＯ_２が２０〜２３体積％程度含まれているため、体積当たりの熱量は７００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度である。このため、高炉ガス単独では熱量が不足することから、高炉ガスの熱量を高める様々な技術が開発されている。

また、昨今におけるＣＯ_２排出削減の要請から、地球温暖化ガスであるＣＯ_２ガスを効率的に分離回収する技術の確立も希求されている。

ここで、多種の成分からなる混合ガスから分離対象のガスを分離する方法として、圧力スイング吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＰＳＡ）法があり、製鉄所においても利用されている。このＰＳＡ法は、吸着剤に対するガス成分の吸着量がガス種およびその分圧によって異なることを利用した分離方法であるため、吸着剤へのガス成分を吸着させる工程（以下、「吸着工程」と記す）および吸着したガス成分を吸着剤から脱着させて吸着剤を再生させる工程（以下、「脱着工程」と記す）とを含む。

図１は、２塔式のＰＳＡ装置の一例を示す図である。この図を参照して、混合ガスＣ_０、例として高炉ガスから分離対象ガス（Ｃ_２）であるＣＯ_２ガスを分離する方法について説明する。なお、このＰＳＡ装置１０において、吸着塔１は吸着工程、吸着塔２は脱着工程をそれぞれ行っているものとする。まず、吸着工程が行われている吸着塔１では、バルブＶ_１およびＶ_３が開放され、ブロワー３により高炉ガスＣ_０が導入される。すると、吸着塔１に予め装入されている吸着剤に分離対象ガス成分であるＣＯ_２が吸着し、そのオフガスＣ_１が排ガスライン５により排出される。

このとき、脱着工程が行われている吸着塔２では、バルブＶ_２が開放され、吸着したＣＯ_２を吸着剤から脱着させて、濃縮されたＣＯ_２ガスが真空ポンプ４により排出されている。排出された分離対象ガスＣ_２である高濃度ＣＯ_２ガスは、回収ライン６から排出される。

上記の吸着および脱着工程を各吸着塔が順次行うことにより、高炉ガスからＣＯ_２ガスを連続的に分離回収することができる。

ところで、ＰＳＡ法で用いられる吸着剤の吸着特性として、分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量は、吸着剤の温度により変化することが知られている。すなわち、低温では吸着量がより多くなり、高温になると吸着量は少なくなる。

しかし、通常のＰＳＡ法においては、吸着工程では、吸着熱による発熱のため吸着塔の温度が上昇し、また、脱着工程では、脱着熱により温度が低下するため、吸着剤の性能（吸着性能および脱着性能）が悪化する問題があった。

このような背景の下、特許文献１には、多数の吸着塔を１つの同一の水槽内に入れて互いに伝熱関係にさせて、吸着時の発熱による熱を脱着工程にある吸着塔に伝熱させることにより、吸着工程と脱着工程における温度変化を低減する技術について記載されている。

また、特許文献２には、混合ガスを吸着塔に導入するブロワーの上流に熱交換器を設けて混合ガスの温度を低下させることにより、夏季等に大気温度が上昇して吸着性能が低下することを防止する技術について記載されている。

さらに、特許文献３には、吸着塔にヒーターを設置して吸着剤を加熱することにより、脱着工程における吸着剤の温度低下を防止する技術について記載されている。

特開平７−１７８３０８号公報 特開平１０−７６１２９号公報 特開平８−５２３１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、吸着工程において発生した熱を、吸着塔等の構造物を介して脱着工程にある吸着塔の吸着剤に伝えているため、伝熱に時間がかかるうえに、吸着剤の性能も向上しない問題があった。

また、特許文献２や３に記載された技術では、吸着工程における冷却または脱着工程における加熱のいずれかの温度調整しか行われていないため、吸着剤性能の向上の観点からは依然として不十分であることが問題となっていた。

そこで本発明の目的は、吸着剤の性能を高めて、副生ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収する方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、吸着工程にある吸着塔の吸着剤の冷却、または脱着工程にある吸着塔の吸着剤の加熱のみでは、吸着剤の性能を十分に向上させることができず、吸着工程にある吸着塔の吸着剤の冷却および脱着工程にある吸着塔の吸着剤の加熱の双方を行うことが肝要であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は、以下の通りである。
（１）２以上の成分を有する混合ガスを吸着剤を装入した吸着塔に導いて該混合ガス中の分離対象ガス成分を吸着剤に吸着させ、その後該吸着塔の内部圧力を低くして前記吸着剤に吸着させた前記分離対象ガス成分を脱着して分離対象ガスを回収するに当たり、前記混合ガスの前記吸着塔への導入は、前記混合ガスを冷却して行い、前記分離対象ガス成分の脱着は、前記吸着剤を加熱しながら行うことを特徴とするガス分離回収方法。

（２）前記混合ガスの冷却は熱交換法により行う、前記（１）に記載のガス分離回収方法。

（３）前記吸着剤の加熱は、マイクロ波加熱法、誘電加熱法、誘電加熱法のいずれかにより行う、前記（１）または（２）に記載のガス分離回収方法。

（４）前記分離対象ガス成分は、二酸化炭素または一酸化炭素のいずれかである、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。

（５）前記混合ガスは高炉ガスである、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。

（６）前記混合ガスの冷却を少なくとも前記混合ガスの洗浄集塵時に行う、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。

本発明によれば、吸着工程にある吸着塔に導入される混合ガスが冷却されて分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量が高められるとともに、脱着工程にある吸着塔の吸着剤が加熱されて分離対象ガス成分の吸着剤からの脱着量も高められるため、吸着剤の性能が向上し、副生ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収することができる。

従来の混合ガスから分離対象ガス成分を分離回収する方法を説明する図である。 本発明による混合ガスから分離対象ガス成分を分離回収する方法を説明する図である。 吸着工程および脱着工程における吸着剤の温度変化を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明のガス分離回収方法は、２以上の成分を有する混合ガスを、吸着剤を装入した吸着塔に導いて該混合ガス中の分離対象ガス成分を吸着剤に吸着させ、その後、該吸着塔の内部圧力を低くして吸着剤に吸着させた分離対象ガス成分を脱着して分離対象ガスを回収する。その際、混合ガスの吸着塔への導入は、混合ガスを冷却して行い、分離対象ガス成分の脱着は、吸着剤を加熱しながら行うことが肝要である。

図２は、本発明のガス分離回収方法に用いるＰＳＡ装置２０を示している。ここで、図１と同じ構成には同じ符号が使用されている。また、図１の場合と同様に、吸着塔が２本からなるＰＳＡ装置で説明するが、吸着塔は本発明例の主旨に沿った操作をする範囲内において１本でも３本以上でも構わない。

図２に示したＰＳＡ装置２０は、２本の吸着塔１および２を有し、各吸着塔での吸着および脱着工程を順次行うことによって、混合ガスＣ_０から分離対象ガスＣ_２を連続的に分離回収することを可能にしている。ここで、混合ガスＣ_０を吸着塔１および２に導入するブロワー３の上流には、混合ガスＣ_０を冷却する冷却手段７が設けられており、また、吸着塔１および２の各々には、吸着塔内に装入された吸着剤を加熱する加熱手段８が設けられている。以下、このＰＳＡ装置２０を用いた本発明によるガス分離回収方法の各工程について説明する。

まず、混合ガスＣ_０が冷却手段７に導入され、混合ガスＣ_０が所定の温度まで冷却されて排出される。上述のように、分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量は、吸着剤の温度により変化し、低温では吸着量がより多くなり、高温になると吸着量は少なくなるが、通常のＰＳＡ法においては、吸着工程では、吸着熱による発熱のため吸着塔の温度が上昇してしまい、吸着工程においては吸着性能が低下してしまう。そこで、本発明においては、混合ガスＣ_０は、冷却手段７により所定の温度まで冷却された後に吸着塔１または２に導入される。これにより、吸着剤に吸着される分離対象ガス成分の吸着量を高めることができる。

ここで、混合ガスＣ_０は、製鉄所で排出される副生ガスであり、例えば高炉ガスや転炉ガスを用いることができる。

この混合ガスＣ_０の冷却は、冷却手段７として、例えば熱交換器や水噴霧冷却装置を用いて行うことができる。また、混合ガスＣ_０にダストが含まれる場合には、冷却手段７として洗浄集塵器を用いることにより、混合ガスＣ_０からのダストの除去と冷却の双方を行うことができる。すなわち、洗浄集塵器により混合ガスＣ_０に含まれるダストを洗浄して集塵する際には、洗浄水を混合ガスＣ_０に対して噴霧するが、洗浄水として冷却された低温の水を用いることにより、洗浄後の混合ガスＣ_０の温度を低下させることができる。こうして洗浄集塵器を用いて洗浄した後に、さらに熱交換器を用いて混合ガスＣ_０を冷却するように構成しても良い。

ここで、混合ガスＣ_０の冷却は、混合ガスＣ_０が所定の温度となるように行うが、０℃以上２０℃以下、望ましくは５℃以上１０℃以下になるように冷却する。

こうして冷却手段７により所定の温度まで冷却された混合ガスＣ_０は、次いで、吸着工程にある吸着塔に導入され、分離対象ガス成分を吸着塔に装入された吸着剤に吸着させる。例えば、吸着塔１にて吸着工程が行われている場合、バルブＶ_１およびＶ_３を開放し、ブロワー３により冷却された混合ガスＣ_０が吸着塔１に導入される。すると、吸着塔１に予め装入されている吸着剤に分離対象ガス成分が吸着し、そのオフガスＣ_１は排ガスライン５により排出される。その際、吸着塔に導入された混合ガスＣ_０は、通常よりも冷却されているため、吸着剤への吸着量は高められることになる。
ここで、各吸着塔に装入される吸着剤としては、分離対象ガスに合わせて適切に選択する。

続いて、吸着剤に吸着された分離対象ガス成分を脱着させる。すなわち、吸着塔１におけるバルブＶ_２を開放し、吸着した分離対象ガス成分を吸着剤から脱着させて、分離対象ガスＣ_２を真空ポンプ４により排出する。その際、加熱手段８により、吸着塔２に装入された吸着剤を加熱しながら行うことが肝要である。これにより、吸着剤に吸着した分離対象ガス成分の脱着量を高めることができる。

上記吸着剤を加熱する方法としては、吸着剤の特性に応じて、マイクロ波加熱法、誘電加熱法、誘導加熱法等を用いることができる。例えば、吸着剤が導電物質からなる場合には誘導加熱法を、絶縁体である場合には誘電加熱法やマイクロ波加熱法を用いることができる。これらの加熱方法により、吸着剤を瞬時に加熱することができる。

ここで、加熱手段８による吸着剤の加熱は、吸着工程により温度上昇した吸着剤の温度ができるだけ低下しないように制御して行い、吸着剤のピーク温度からの温度低下が３℃以下となるように行うことが好ましい。

なお、上記の吸着工程を大気圧付近の圧力で行い、脱着工程を真空付近の圧力で行う真空圧スイング吸着（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＶＰＳＡ）法により行ってもよい。

以上の本発明のガス分離回収方法における吸着剤の温度変化を、図３を参照して説明する。ここで、吸着工程を７単位時間（ステップ数で表現）、脱着工程を７単位時間繰り返すガス分離回収を行った場合を例に説明する。図３を参照すると、通常のＰＳＡ法では、破線で示すように、吸着剤の温度は周期的に変動する。すなわち、吸着工程では吸着熱により温度が上昇し、脱着工程において温度が低下する。この結果、吸着剤の性能が悪化する。

一方、吸着時の吸着量を高めるために、混合ガスを冷却して温度を低下させた場合には、図の一点鎖線で示したような温度変化となる。すなわち、混合ガスの冷却により、吸着工程における吸着剤の温度が低下されるが、脱着工程においても低下されてしまう。したがって、吸着工程において、分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量は高められるものの、脱着工程における脱着量は低下してしまう。

これらの従来技術に対して、本発明においては、脱着工程、すなわち図の実線で示したように、脱着工程において吸着剤を加熱するため、図のＣで示したように、脱着時の温度低下が抑制され、分離対象ガス成分の脱着量を高めることができる。脱着工程において温度が低下されないまま次の吸着工程に入ると、温度がさらに上昇してしまうが、この吸着工程における温度上昇は、吸着塔に導入する混合ガスを冷却することにより、図中のＡに示すように吸着剤の温度が低下し、図中のＢに示すように吸着時の発熱により温度がやや上昇するものの、温度上昇は全体として抑制することができる。こうして分離対象ガス成分の吸着剤からの脱着量を高めることができる。

このように、吸着工程にある吸着塔に導入される混合ガスが冷却されて分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量が高められるとともに、脱着工程にある吸着塔の吸着剤が加熱されて分離対象ガス成分の吸着剤からの脱着量が高められるため、吸着剤の性能が向上し、副生ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収することができる。

（比較例１）
図１に示したＰＳＡ装置１０を用いて、混合ガスからＣＯ_２ガスを分離回収した。具体的には、まず吸着剤として、ゼオライトを５００ｇ装入した吸着塔（内径４０ｍｍφ×高さ５００ｍｍ）２塔を備えるＰＳＡ装置１０に、３０℃の混合ガス（ＣＯ_２：５０体積％Ｎ_２：５０体積％）を導入して分離吸着処理を行ってＣＯ_２ガスを分離回収した。その結果、ＣＯ_２ガスの回収率は８０％であった。

（比較例２）
図２に示したＰＳＡ装置２０を用いて、混合ガスからＣＯ_２ガスを分離回収した。ここで、混合ガスを熱交換器により１０℃まで冷却した後に吸着塔に導入した。その他の条件は、全て比較例１と同じである。その結果、ＣＯ_２ガスの回収率は８４％であった。

（発明例）
図２に示したＰＳＡ装置２０を用いて、混合ガスからＣＯ_２ガスを分離回収した。まず、混合ガスを熱交換器により１０℃まで冷却した後に吸着塔に導入した。また、脱着工程においては、マイクロ波加熱法により、吸着剤を加熱した。その際、温度低下が３℃以下となるように制御した。その他の条件は比較例１と全て同じである。その結果、ＣＯ_２ガスの回収率は８９％であった。このように、吸着工程にある吸着塔に導入される混合ガスが冷却されてＣＯ_２ガスの吸着剤への吸着効率が向上するとともに、脱着工程にある吸着塔の吸着剤が加熱されて、ＣＯ_２ガスの脱着効率が向上するため、ＣＯ_２ガスを効率的に分離回収できていることが分かる。

本発明によれば、吸着工程にある吸着塔に導入される混合ガスが冷却されて分離対象ガス成分の吸着剤への吸着量が高められるとともに、脱着工程にある吸着塔の吸着剤が加熱されて分離対象ガス成分の吸着剤からの脱着量が高められ、混合ガスから分離対象ガスを効率的に分離回収することができるため、製鉄所から排出される副生ガスから、二酸化炭素ガスや一酸化炭素ガス等の分離回収に有用である。

１，２ 吸着塔
３ ブロワー
４ 真空ポンプ
５ 排ガスライン
６ 回収ライン
７ 冷却手段
８ 加熱手段
１０，２０ ＰＳＡ装置
Ｃ_０ 混合ガス
Ｃ_１ オフガス
Ｃ_２ 分離対象ガス

Claims (6)

1. ２以上の成分を有する混合ガスを吸着剤を装入した吸着塔に導いて該混合ガス中の分離対象ガス成分を吸着剤に吸着させ、その後該吸着塔の内部圧力を低くして前記吸着剤に吸着させた前記分離対象ガス成分を脱着して分離対象ガスを回収するに当たり、
   前記混合ガスの前記吸着塔への導入は、前記混合ガスを冷却して行い、前記分離対象ガス成分の脱着は、前記吸着剤を加熱しながら行うことを特徴とするガス分離回収方法。
2. 前記混合ガスの冷却は熱交換法により行う、請求項１に記載のガス分離回収方法。
3. 前記吸着剤の加熱は、マイクロ波加熱法、誘電加熱法、誘電加熱法のいずれかにより行う、請求項１または２に記載のガス分離回収方法。
4. 前記分離対象ガス成分は、二酸化炭素または一酸化炭素のいずれかである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。
5. 前記混合ガスは高炉ガスである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。
6. 前記混合ガスの冷却を少なくとも前記混合ガスの洗浄集塵時に行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス分離回収方法。

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